專利名稱：超導(dǎo)腔的干式處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子激光設(shè)備加工工藝領(lǐng)域，特別涉及一種對(duì)超導(dǎo)腔表面進(jìn)行干式處理的方法。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)腔是DC-SC光陰極注入器最重要的部件，它直接影響到注入器的性能。射頻超導(dǎo)諧振腔可以運(yùn)行在連續(xù)波模式下，這一優(yōu)勢(shì)是常溫加速腔無(wú)法做到的。超導(dǎo)腔的加速梯度Eacc和品質(zhì)因數(shù)Q是兩個(gè)最重要的性能參數(shù)。提高超導(dǎo)腔的表面性能，最重要的是改善超導(dǎo)腔的表面狀況。超導(dǎo)腔的表面狀況直接影響到超導(dǎo)腔的低溫性能?，F(xiàn)在常用的表面處理方法主要有高壓水清洗(HPR)、化學(xué)拋光(BCP)、電拋光(EP)等。
化學(xué)拋光采用拋光液與超導(dǎo)腔表面直接反應(yīng)，把腔的表面層剝離。電拋光的原理是超導(dǎo)腔和鋁管分別為陽(yáng)極、陰極，拋光液作為電解質(zhì)，在一定電流下，突起部分的電場(chǎng)較強(qiáng)，拋光液作用在突起部分的速率比作用在凹槽處的速率快。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的拋光后，表面拋光的效果極好。但是采用電拋光和化學(xué)拋光的方法處理的超導(dǎo)腔的Q值(品質(zhì)因數(shù))比較低，而且被次級(jí)電子倍增放電(MP，Multipacting)所限制，無(wú)法通過(guò)加大功率增大加速場(chǎng)強(qiáng)。
另外，BCP和EP都有酸處理問(wèn)題，裝置比較復(fù)雜，造價(jià)很高。為此，探索一種更好的對(duì)超導(dǎo)腔表面的處理方法具有重大的意義。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種新型的對(duì)超導(dǎo)腔的干式處理方法，既能極大地改善超導(dǎo)腔的表面性能，又沒(méi)有傳統(tǒng)的濕式處理(BCP和EP)的酸處理問(wèn)題。
本發(fā)明所提供的超導(dǎo)腔的干式處理方法利用氣體放電原理，對(duì)超導(dǎo)腔的表面進(jìn)行濺射拋光處理。直流二極氣體放電裝置的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，是由一對(duì)陰極和陽(yáng)極組成的，處理時(shí)超導(dǎo)腔作為陰極，參考電極作為陽(yáng)極，陰極接負(fù)高壓，陽(yáng)極接地。在真空狀態(tài)下，惰性氣體輝光放電形成等離子體，其中的惰性氣體離子以較高的能量轟擊鈮表面，可以清除附著在超導(dǎo)腔表面的雜質(zhì)，并對(duì)其表面有拋光的作用，而且氣體放電可以改善材料表面的二次電子發(fā)射系數(shù)。
如圖1所示，為本發(fā)明的干式處理方法的原理圖。待處理的超導(dǎo)腔作為陰極，接負(fù)高壓；基片作為陽(yáng)極，接地。其中，基片可選用吸附氣體能力較強(qiáng)的金屬或合金，優(yōu)選為鈦、銅、不繡鋼等。兩電極都放置在可抽真空的真空室中，將真空室抽真空后充入惰性氣體并達(dá)到一定的壓強(qiáng)。當(dāng)兩電極通電后，惰性氣體被電離，離子的輝光放電形成等離子體，在一定的放電電流和放電氣壓下，離子以較高的能量對(duì)超導(dǎo)腔表面進(jìn)行撞擊、拋光，把超導(dǎo)腔表面的突起、毛刺很快地除去，起到很好的表面拋光處理的作用；同時(shí)濺射拋光使超導(dǎo)腔溫度容易升高，可以同時(shí)達(dá)到腔的表面高溫退火效果。
根據(jù)以上原理，本發(fā)明提供超導(dǎo)腔的干式處理方法可以具體包括如下步驟1)將基片和待處理的超導(dǎo)腔分別作為陽(yáng)極和陰極，陽(yáng)極接地，陰極接負(fù)高壓，置于真空室中；2)使真空室內(nèi)的氣壓達(dá)到10-5Pa以下，然后在真空泵抽真空的同時(shí)，通入惰性氣體，同時(shí)調(diào)節(jié)真空泵的閥門，使真空室內(nèi)氣壓達(dá)到10至20Pa；3)在繼續(xù)通入惰性氣體并保持真空室內(nèi)氣壓的同時(shí)，接通電源，進(jìn)行放電鍛煉，直至尖端放電消失；4)繼續(xù)通電，使放電電流保持在1至2安培，對(duì)超導(dǎo)腔表面進(jìn)行濺射處理1至3小時(shí)；5)停止通入惰性氣體，使真空室恢復(fù)至真空條件，超導(dǎo)腔在真空下退火，逐漸冷卻至室溫。
與傳統(tǒng)的濕式處理(EP和BCP)方法相比，本發(fā)明的技術(shù)效果在于干式處理，沒(méi)有污染。與化學(xué)拋光、電拋光相比，它是一種潔凈處理超導(dǎo)腔的方法，沒(méi)有酸的危險(xiǎn)和對(duì)環(huán)境的污染，而且處理后不會(huì)殘留液體在腔表面上；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制。只需要一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的直流二極放電裝置，就可以完成腔的處理，調(diào)節(jié)參數(shù)較少，只有三個(gè)(工作氣壓、放電電流和放電電壓)，而且只要確定了其中的兩個(gè)參數(shù)，第三個(gè)參數(shù)就可以確定。通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓和電流可以達(dá)到很好的處理效果；清洗與表面結(jié)合很牢的雜質(zhì)。由于惰性氣體離子以比較高的能量轟擊鈮表面，可以把表面吸附的氣體、酸液的殘留物以及各種毛尖清洗掉；室溫下的MP鍛煉。惰性氣體離子放電可以降低腔的二次電子發(fā)射系數(shù)，使腔的MP得到很好的抑制，這對(duì)不規(guī)則超導(dǎo)腔來(lái)說(shuō)尤為重要；退火處理。超導(dǎo)腔不斷被能量很高的惰性氣體離子轟擊，溫度不斷上升，達(dá)到一定溫度后，停止放電，使超導(dǎo)腔在超高真空下退火。


圖1是干式處理方法的原理圖；圖2是干式處理方法中使用的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部件，其中1-超導(dǎo)腔2-基片3-真空室4-真空泵具體實(shí)施方式
如圖2所示，為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，基片2選用鈦棒作為陽(yáng)極，接地；超導(dǎo)腔1作為陰極，接負(fù)高壓。其中，所述超導(dǎo)腔1選用北京大學(xué)射頻超導(dǎo)室設(shè)計(jì)研制的DC-SC光陰極注入器，其主體為1+1/2純鈮超導(dǎo)腔(郝建奎等用于高平均功率FEL的DC-SC光陰極注入器。強(qiáng)激光與粒子束，第14卷第3期，2002年5月)，在進(jìn)行濺射拋光之前，對(duì)純鈮超導(dǎo)腔進(jìn)行了傳統(tǒng)的表面處理，包括機(jī)械拋光(滾拋)、高壓水沖洗、化學(xué)拋光、電拋光以及1100℃高溫處理。高純氬氣作為工作氣體。真空室3為全金屬密封的超高真空室，本底真空可達(dá)10-6Pa。真空泵4采用渦輪分子泵和濺射離子泵組成的真空泵組。
利用圖2所示的裝置對(duì)純鈮超導(dǎo)腔進(jìn)行干式處理的具體步驟如下對(duì)真空室2進(jìn)行烘烤，以提高其本底真空度，直至10-6Pa；在真空泵4繼續(xù)抽真空的同時(shí)，往真空室2中通入純氬氣，同時(shí)調(diào)節(jié)流量和真空泵閥門，使室內(nèi)氣壓達(dá)到15Pa；保持氬氣的通入，同時(shí)保持室內(nèi)氣壓不超過(guò)20Pa，使超導(dǎo)腔1和基片2通電，兩個(gè)電極之間開(kāi)始放電，經(jīng)過(guò)大約3個(gè)小時(shí)的放電鍛煉，放電電流逐漸從0.2安培增大到1.0安培并穩(wěn)定下來(lái)，尖端放電消失；保持氬氣的通入，同時(shí)保持真空室1內(nèi)的氣壓不超過(guò)20Pa，調(diào)節(jié)氬氣流量和真空泵4的閥門，使放電電流保持在1.6至2安培2個(gè)小時(shí)；停止通入氬氣但不停止真空泵4，使真空室3恢復(fù)至超高真空條件，讓超導(dǎo)腔1在超高真空下退火，經(jīng)過(guò)48個(gè)小時(shí)，超導(dǎo)腔1的溫度降到室溫，此時(shí)真空室3的真空度為8×10-7Pa。
實(shí)驗(yàn)效果在經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的表面處理工藝而沒(méi)有進(jìn)行濺射拋光之前，純鈮超導(dǎo)腔在4.2K溫度下調(diào)試中的Q值很低，不足107；而且被次級(jí)電子倍增放電(MP)所限制，無(wú)法通過(guò)加大功率增大加速場(chǎng)強(qiáng)。后來(lái)，對(duì)純鈮超導(dǎo)腔進(jìn)行了低溫?zé)崽幚恚琎值有了很大的提高，接近108，但MP仍無(wú)法得到抑制。在一定功率下對(duì)MP進(jìn)行鍛煉，經(jīng)過(guò)幾個(gè)小時(shí)的鍛煉MP消失，但在更高的功率下MP又出現(xiàn)，始終不能徹底消除。而在使用本發(fā)明提供的干式處理方法對(duì)其進(jìn)行處理之后，再對(duì)處理后的純鈮超導(dǎo)腔進(jìn)行低溫超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，具體的過(guò)程和結(jié)果如下開(kāi)始時(shí)饋入小功率，在純鈮超導(dǎo)腔的腔內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)次級(jí)電子倍增放電(MP)；隨著功率的加大，MP出現(xiàn)；采用大功率鍛煉的方法對(duì)腔進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)1小時(shí)的鍛煉，MP現(xiàn)象消除了；再增大進(jìn)腔功率，MP不再出現(xiàn)，與處理前MP反復(fù)出現(xiàn)相比，該腔的性能發(fā)生了飛躍性的質(zhì)變。
在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，用同樣的方法對(duì)另一純鈮超導(dǎo)腔進(jìn)行濺射處理，但基片2改用銅作為陽(yáng)極，處理步驟如下對(duì)真空室2進(jìn)行烘烤，以提高其本底真空度，直至10-5Pa；在真空泵4繼續(xù)抽真空的同時(shí)，往真空室2中通入純氦氣，同時(shí)調(diào)節(jié)流量和真空泵閥門，使室內(nèi)氣壓達(dá)到10Pa；保持氦氣的通入，同時(shí)保持室內(nèi)氣壓不超過(guò)20Pa，使超導(dǎo)腔1和基片2通電，兩個(gè)電極之間開(kāi)始放電，經(jīng)過(guò)大約3個(gè)小時(shí)的放電鍛煉，放電電流逐漸從0.2安培增大到1.0安培并穩(wěn)定下來(lái)，尖端放電消失；保持氦氣的通入，同時(shí)保持真空室1內(nèi)的氣壓不超過(guò)20Pa，調(diào)節(jié)氦氣流量和真空泵4的閥門，使放電電流保持在1至1.3安培2個(gè)小時(shí)；停止通入氦氣但不停止真空泵4，使真空室3恢復(fù)至真空條件，讓超導(dǎo)腔1在真空下退火，經(jīng)過(guò)48個(gè)小時(shí)，超導(dǎo)腔1的溫度降到室溫。
經(jīng)過(guò)以上處理步驟，純鈮超導(dǎo)腔同樣達(dá)到與上一實(shí)施例的純鈮超導(dǎo)腔同樣的性能。因此，根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)效果，超導(dǎo)腔經(jīng)過(guò)本發(fā)明內(nèi)容的干式處理后的性能改善主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面首先是MP的改善。在處理前，超導(dǎo)腔始終被MP所限制。干式處理時(shí)，氬離子以很高的能量轟擊超導(dǎo)腔表面，將表面的雜質(zhì)和毛刺轟擊出來(lái)，使腔得到很徹底的清洗。而且氣體放電本身就是一種鍛煉方法，是一種室溫下的MP鍛煉。
其次，退火處理可以消除由超導(dǎo)腔本身結(jié)構(gòu)所引起的應(yīng)力。干式處理時(shí)，放電電流導(dǎo)致腔的溫度升高(可達(dá)1000℃)，處理后在超高真空下對(duì)腔進(jìn)行退火處理，消除了超導(dǎo)腔的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，解決了腔的不穩(wěn)定性問(wèn)題。
以上通過(guò)優(yōu)選的實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明的內(nèi)容，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，可以進(jìn)行一定的修改和變形，比如選用其他吸附氣體能力強(qiáng)的金屬或合金作為基片，也能夠達(dá)到吸附雜質(zhì)氣體的目的。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)腔的干式處理方法，其特征在于，將超導(dǎo)腔作為陰極、基片作為陽(yáng)極，在真空條件下電離惰性氣體，利用電離后產(chǎn)生的等離子體對(duì)超導(dǎo)腔表面進(jìn)行濺射處理，其中，所述的基片是吸附氣體能力強(qiáng)的金屬或合金。
2.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)腔的干式處理方法，其特征在于，所述的吸附氣體能力強(qiáng)的金屬選自鈦、銅、不銹鋼。
3.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)腔的干式處理方法，其特征在于，所述的惰性氣體是氬氣。
4.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)腔的干式處理方法，其特征在于，所述的超導(dǎo)腔是純鈮超導(dǎo)腔。
5.一種超導(dǎo)腔的干式處理方法，包括如下步驟1)將具有氣體吸附能力的基片和超導(dǎo)腔分別作為陽(yáng)極和陰極，陽(yáng)極接地，陰極接負(fù)高壓，置于真空室中，其中，所述的基片是氣體吸附能力強(qiáng)的金屬；2)使真空室內(nèi)的氣壓達(dá)到10-5Pa以下，然后通入惰性氣體，同時(shí)調(diào)節(jié)真空泵的閥門，使真空室內(nèi)氣壓達(dá)到10至20Pa；3)在繼續(xù)通入惰性氣體并保持真空室內(nèi)氣壓的同時(shí)，接通電源，對(duì)超導(dǎo)腔表面進(jìn)行放電鍛煉，直至尖端放電消失；4)繼續(xù)通電，調(diào)節(jié)惰性氣體流量和真空泵閥門，使放電電流保持在1至2安培，對(duì)超導(dǎo)腔表面進(jìn)行濺射處理1至3小時(shí)；5)停止通入惰性氣體，使真空室恢復(fù)至真空條件，超導(dǎo)腔在真空下退火，逐漸冷卻至室溫。
6.如權(quán)利要求5所述的超導(dǎo)腔的干式處理方法，其特征在于，所述的基片選自鈦、銅、不銹鋼。
7.如權(quán)利要求5所述的超導(dǎo)腔的干式處理方法，其特征在于，所述的惰性氣體是氬氣。
8.如權(quán)利要求5所述的超導(dǎo)腔的干式處理方法，其特征在于，所述的超導(dǎo)腔是純鈮超導(dǎo)腔。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超導(dǎo)腔的干式處理方法，其特征在于，將超導(dǎo)腔作為陰極、基片作為陽(yáng)極，在真空條件下電離惰性氣體，利用電離后產(chǎn)生的等離子體對(duì)超導(dǎo)腔表面進(jìn)行濺射處理，其中，所述的基片是吸附氣體能力強(qiáng)的金屬或合金。與化學(xué)拋光、電拋光相比，它是一種潔凈處理超導(dǎo)腔的方法，沒(méi)有酸的危險(xiǎn)和對(duì)環(huán)境的污染，而且處理后不會(huì)殘留液體在腔表面上，處理裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制。另外，它為超導(dǎo)腔提供了室溫下的MP鍛煉，使腔的MP得到很好的遏制。
文檔編號(hào)C23F4/04GK1891864SQ20051008281
公開(kāi)日2007年1月10日 申請(qǐng)日期2005年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者郝建奎, 趙夔, 黃森林, 焦飛 申請(qǐng)人:北京大學(xué)